Neue Studie gibt Einblicke in einen der frühesten Vorfahren des Lebens

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Universität Bristol hat Licht in das früheste Ökosystem der Erde gebracht und gezeigt, dass es dort bereits wenige Hundert Millionen Jahre nach der Entstehung des Planeten florierendes Leben gab.

Das Werk erscheint in Naturökologie und Evolution.

Alles, was heute lebt, stammt von einem einzigen gemeinsamen Vorfahren ab, der liebevoll als LUCA (Last Universal Common Ancestor) bezeichnet wird.

LUCA ist der hypothetische gemeinsame Vorfahre, von dem alles moderne zelluläre Leben abstammt, von einzelligen Organismen wie Bakterien bis hin zu den riesigen Redwood-Bäumen (und auch wir Menschen). LUCA stellt die Wurzel des Lebensbaums dar, bevor er sich in die heute anerkannten Gruppen aufspaltet: Bakterien, Archaeen und Eukaryonten.

Das moderne Leben entwickelte sich aus LUCA auf Grundlage verschiedener Quellen: der gleichen Aminosäuren, die in allen zellulären Organismen zum Aufbau von Proteinen verwendet werden, der gemeinsamen Energiewährung ATP, der Existenz zellulärer Maschinen wie dem Ribosom und anderen, die mit der Herstellung von Proteinen aus den in der DNA gespeicherten Informationen in Zusammenhang stehen, und sogar der Tatsache, dass alles zelluläre Leben die DNA selbst als Mittel zur Speicherung von Informationen nutzt.

Das Team verglich sämtliche Gene im Genom lebender Arten und zählte die Mutationen, die im Laufe der Zeit innerhalb ihrer Sequenzen aufgetreten sind, seit sie in LUCA einen gemeinsamen Vorfahren hatten.

Da der Zeitpunkt der Trennung einiger Arten aus Fossilienfunden bekannt ist, verwendete das Team ein genetisches Äquivalent der bekannten Gleichung zur Berechnung von Geschwindigkeiten in der Physik, um den Zeitpunkt der Existenz von LUCA zu ermitteln. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass dieser Zeitpunkt 4,2 Milliarden Jahre zurückliegt, also rund 400 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde und unseres Sonnensystems.

Co-Autorin Dr. Sandra Álvarez-Carretero von der School of Earth Sciences in Bristol sagte: „Wir hatten nicht erwartet, dass LUCA so alt sein würde, nur wenige hundert Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde. Unsere Ergebnisse passen jedoch zu modernen Ansichten über die Bewohnbarkeit der frühen Erde.“

Als nächstes erarbeitete das Team die Biologie von LUCA, indem es die physiologischen Eigenschaften lebender Arten durch die Genealogie des Lebens bis zurück zu LUCA modellierte.

Der Hauptautor Dr. Edmund Moody erklärte: „Die Evolutionsgeschichte der Gene wird durch ihren Austausch zwischen Abstammungslinien kompliziert. Wir müssen komplexe Evolutionsmodelle verwenden, um die Evolutionsgeschichte der Gene mit der Genealogie der Arten in Einklang zu bringen.“

Co-Autor Dr. Tom Williams von der School of Biological Sciences in Bristol sagte: „Einer der wirklichen Vorteile besteht darin, dass wir den Gen-, Arten- und Baumabgleichsansatz auf einen so vielfältigen Datensatz anwenden, der die primären Domänen des Lebens repräsentiert: Archaeen und Bakterien. Dadurch können wir mit einiger Sicherheit sagen und dieses Maß an Sicherheit darüber bewerten, wie LUCA gelebt hat.“

Co-Autor Professor Davide Pisani fügte hinzu: „Unsere Studie hat gezeigt, dass LUCA ein komplexer Organismus war, der sich nicht allzu sehr von modernen Prokaryoten unterschied. Wirklich interessant ist aber, dass er offensichtlich schon früh ein Immunsystem besaß. Das zeigt, dass sich unser Vorfahre schon vor 4,2 Milliarden Jahren in einem Wettrüsten mit Viren befand.“

Co-Autor Tim Lenton (University of Exeter, School of Geography) bemerkte: „Es ist klar, dass LUCA seine Umwelt ausbeutete und veränderte, aber es ist unwahrscheinlich, dass es allein lebte. Seine Abfälle wären Nahrung für andere Mikroben gewesen, wie Methanogene, die dazu beigetragen hätten, ein Recycling-Ökosystem zu schaffen.“

„Die Erkenntnisse und Methoden dieser Arbeit werden auch künftige Studien beeinflussen, die sich detaillierter mit der weiteren Evolution der Prokaryoten im Lichte der Erdgeschichte befassen, einschließlich der weniger gut erforschten Archaeen mit ihren methanogenen Vertretern“, ergänzt Co-Autorin Professorin Anja Spang (Königlich-Niederländisches Institut für Meeresforschung).

Co-Autor Professor Philip Donoghue kommentierte: „Unsere Arbeit vereint Daten und Methoden aus mehreren Disziplinen und gibt Einblicke in die frühe Erde und das Leben, die von einer einzelnen Disziplin nicht erreicht werden könnten. Sie zeigt auch, wie schnell sich auf der frühen Erde ein Ökosystem etablierte. Dies deutet darauf hin, dass das Leben in erdähnlichen Biosphären anderswo im Universum gedeihen könnte.“

An der Studie waren auch Wissenschaftler des University College London (UCL), der Universität Utrecht, des Zentrums für ökologische Forschung in Budapest und der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University beteiligt.